CC BY
9УДК 629.7.036.54-63
особенности работы системы контроля и управления расходованием топлива разгонного блока с водородной двигательной установкой
В.А. Вакушин, В.К. Завадский*, В.П. Иванов*, Е.Б. КабловаЛ.Г. Кленовая*,
И.С. Партола
ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», КБ «Салют», 121087, Москва, Россия, тел.: (495) 142-50-30, факс: (495) 797-33-94; e-mail: salut@khrunichev.com;
* Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, Москва, Россия, 117997, тел.: 495-334-87-60, факс: (495) 334-88-71, e-mail: vladguc@ipu.rssi.ru
Приведено краткое описание особенностей задач управления расходованием топлива из баков разгонного блока с водородной двигательной установкой, рассмотрены принципы построения, структурная схема и алгоритмы комбинированной системы управления расходованием топлива (СУРТ), даны оценки снижения неиспользуемых остатков топлива за счет применения такой системы.
Иванов Владимир Петрович - к.т.н., ведущий научный сотрудник Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН.
Область научных интересов: теория систем управления, ракетно-космическая техника.
Завадский Владимир Константинович - к.т.н., старший научный сотрудник Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. Область научных интересов: теория систем управления, ракетно-космическая техника.
Каблова Елена Борисовна - научный сотрудник Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН.
Область научных интересов: теория систем управления, ракетно-космическая техника.
Кленовая Людмила Григорьевна - научный сотрудник Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН.
Область научных интересов: теория систем управления, ракетно-космическая техника.
Вакушин Владимир Андреевич - начальник сектора отдела ДУ КБ «Салют» ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. Область научных интересов: повышение точности работы систем управления расходованием топлива ДУ РКТ.
Партола Игорь Станиславович - к.т.н., начальник отдела ДУ КБ «Салют» ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. Область научных интересов: проблемные задачи достижения современных характеристик систем ДУ РКТ.
Введение
Системы управления расходованием топлива (СУРТ) предназначены для повышения энергетических характеристик ракет-носителей и разгонных блоков на основе минимизации неиспользуемых запасов компонентов топлива [1]. В задачу СУРТ входит синхронизация расходования окислителя и горючего и фиксация момента их полной выработки для формирования команды на выключение двигательной установки. Особенностью кислородно-водородных
двигателей является существенное взаимовлияние процессов изменения тяги (суммарного расхода топлива через двигатель) и коэффициента соотношения расходов компонентов топлива (параметра Кт), которые должны контролироваться и управляться системой СУРТ. Динамическая модель водородного двигателя характеризуется существенной нелинейностью зависимостей изменений расходов компонентов через двигатель от внешних факторов и управляющих воздействий по тяге и параметру Кт. Определение
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «ТАТА»,2008
фактических значений коэффициентов линеаризованных уравнений двигателя для конкретного экземпляра по результатам его испытаний является достаточно сложной задачей. Значения таких коэффициентов характеризуются существенной вариабельностью для различных экземпляров двигателя и претерпевают существенное изменение при изменении режимов работы двигателей. Указанные особенности подтверждаются опытом эксплуатации криогенного разгонного блока (изделия «КРБ»). Из-за отличия фактических значений коэффициентов от расчетных имело место существенное несоответствие установившихся значений угловых положений регулятора тяги и дросселя системы регулирования параметра Кт (системы РСК). Для контроля параметра Кт в системе РСК на изделии «КРБ» использовались датчики расходов компонентов, установленные в магистралях подачи топлива. Поскольку датчики расходов определяют объемные расходы компонентов, то для оценки параметра Кт должна производиться температурная коррекция показаний таких датчиков. Проведение такой коррекции связано с введением в алгоритм оценивания Кт ряда констант, при определении которых возникают дополнительные погрешности. Для уменьшения таких погрешностей приходится учитывать зависимость плотности компонентов не только от температуры, но и от давления.
В уровнемерных системах управления расходованием топлива используется прямая информация о количестве топлива в баках. Для получения такой информации в баках устанавливаются датчики уровней. Достаточно хорошо зарекомендовали себя датчики уровней с чувствительными элементами индуктивного и емкостного типов. Имеется достаточно большой опыт эксплуатации датчиков уровней емкостного типа для измерения уровней в баках жидкого кислорода. Измерения в жидком водороде емкостными датчиками уровней производились на центральном блоке ракеты-носителя «Энергия». Проведенные летные испытания подтвердили нормальное функционирование указанных датчиков. К недостаткам уровнемерных СУРТ можно отнести наличие нерегулируемого интервала, который может составлять от 10 % до 20 % полного времени работы системы, и невозможность контроля мгновенных значений параметра Кт. В уровнемерных СУРТ определяется дискретная производная процесса регулирования по измерениям двух смежных пар измерительных точек датчиков уровней. Оценка производной производится с погрешностью тем большей, чем выше уровень погрешностей датчиков уровней. Фиксация момента прохождения в баке уровня паро-водородной среды связана с повышенными погрешностями измерения.
Особенностью кислородно-водородных двигателей является существенная зависимость удельной тяги от параметра Кт. В этом случае изменение
Кт в процессе регулирования опорожнения баков, потребное для обеспечения одновременной выработки окислителя и горючего, может вызывать заметное снижение удельной тяги двигательной установки, что, в свою очередь, приведет к потерям в энергетических характеристиках изделия. В связи с указанной особенностью возникает задача выбора оптимальной программы изменения параметра Кт при управлении выработкой компонентов топлива, исходя из максимизации критерия, характеризующего энергетические характеристики изделия (например, конечного значения продольной составляющей кажущейся скорости) [2]. Эту программу следует воспроизводить в невозмущенном ходе опорожнения баков посредством программных перекладок дросселя, изменяющего расход горючего (и тем самым коэффициент соотношения расходов компонентов) через двигатель.
Объединение непрерывного расходомерного и дискретного уровнемерного принципов измерения в единой комбинированной системе позволяет соединить преимущества рассмотренных выше типов систем и избавиться от их недостатков. Данный подход наиболее актуален при управлении расходованием топлива водородной двигательной установкой. В этом случае при оценке производной процесса регулирования опорожнения компонентов топлива можно значительно снизить влияние погрешностей измерения датчиками уровней текущих запасов водорода и погрешностей, связанных с учетом зависимости плотности водорода от температуры и давления, за счет комбинирования уровнемерной и расходомерной информации.
Состав и структура комбинированной системы контроля и управления расходованием топлива водородной двигательной установкой
Комбинированная система управления расходованием компонентов топлива (СУРТ) включает в себя, кроме существующей и функционирующей в настоящее время системы РСК, дополнительный канал уровнемерной коррекции работы системы и в совокупности состоит из следующих функциональных блоков:
1) Существующие функциональные блоки:
• датчики расходов компонентов (ДРО и ДРГ), установленные в магистралях подачи топлива;
• усилительно-преобразовательное устройство (УПДР) сигналов с ДРО и ДРГ, преобразующее сигналы с датчиков в цифровой код N и N, соответствующий измеренной величине объемных расходов компонентов топлива;
• датчики температуры окислителя ДТО и усилитель-преобразователь сигнала с ДТО-УПДТО;
• вычислительное устройство (БЦВМ), реализующее алгоритм функционирования системы РСК;
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
В.А. Вакушин, В.К. Завадский, В.П. Иванов, Е.Б. Каблова, Л.Г. Кленовая, И.С. Партола Особенности работы системы контроля и управления расходованием топлива разгонного блока с водородной двигательной установкой
• устройство (блок) управления шаговыми приводами (БУШП) регулятора и дросселя;
• привод дросселя и дроссельное устройство, установленное в магистрали горючего (исполнительный орган системы), изменяющее коэффициент соотношения расходов компонентов.
2) Дополнительно разрабатываемые и вводимые в систему функциональные блоки:
• дискретные датчики уровней (ДДУ) компонентов топлива, установленные внутри гидравлических успокоительных устройств в баках изделия;
• усилители-преобразователи сигналов с дискретных датчиков (УПДД), формирующие на своих выходах сигнал, соответствующий уровню «1» в момент фиксации датчиком прохождения уровнем жидкости его геометрического положения;
• вычислительное устройство, реализующее алгоритм обработки информации и вычисления управляющих команд уровнемерного канала системы.
Описанные выше функциональные блоки объединяются в одну систему в соответствии с блок-схемой, приведенной на рис. 1.
Как видно из рис. 1, измерительный тракт системы состоит из каналов расходомерного тракта (ДРО, ДРГ, УПДР), уровнемерного (ДДУ-О, ДДУ-Г, УПДД) и канала температурной коррекции окислителя (ДТО, УПДТО).
Сигналы с этих трех каналов, несущие информацию о протекании процесса опорожнения баков с компонентами, поступают в вычислительное устройство (БЦВМ), где обрабатываются в соответствии с алгоритмом работы комбинированной системы.
Алгоритм управления комбинированной системы СУРТ
В комбинированной системе СУРТ, использующей расходомерную и уровнемерную информации, имеется два контура управления. Малый контур управления обеспечивает поддержание заданного соотношения расходов компонентов топлива из баков на основе расходомерной информации. Требуемое соотношение расходов компонентов формируется в другом, внешнем контуре управления на основе информации о запасах компонентов топлива, поступающей от дискретных датчиков уровней.
Рис. 1. Блок-схема системы РСК: БУШП - блок управления шаговыми приводами; БЦВМ- вычислительное устройство; ДДУ-О, ДДУ-Г - дискретные датчики уровня; ДРО, ДРГ - датчики расходов компонентов; ДТО - датчик температуры окислителя;
УППД- усилитель-преобразователь сигнала с дискретных датчиков; УПДР - усилительно-преобразовательное устройство; УПДТО - усилитель-преобразователь сигнала
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
В качестве закона управления в малом контуре системы можно использовать известный, уже апробированный, скорректированный алгоритм системы РСК. Данный раздел посвящен разработке алгоритма внешнего контура управления.
Измерение запасов топлива дискретными датчиками уровня строится на основе так называемого порогово-дискретного принципа измерения. Чувствительные элементы датчиков уровней устанавливаются в баках на заранее выбранных уровнях по высоте бака.
В моменты прохождения жидкостью в баках окислителя и горючего заданных пороговых уровней происходит срабатывание чувствительных элементов датчиков, и в усилителе-преобразователе формируется соответствующий сигнал. В момент срабатывания чувствительного элемента датчика уровней (измерительной точки) текущий запас компонента в баке определяется расстановкой чувствительных элементов датчиков уровней (измерительных точек) по высоте баков от уровня остатков незабора.
В алгоритмах СУРТ обычно используются относительные значения запасов топлива, отнесенные к принятой условной величине начальной заправки компонентов топлива. о
G =
m
m1 m^
G • = О- =
m
J
m
J
m^
m
1| ^ Ш' Ш' Ш'
В момент срабатывания измерительной точки величина О/ сравнивается с модельным значением О, формируемым в алгоритме оценивания текущего запаса топлива.
Будем формировать оценку текущего запаса топлива с учетом уровнемерной информации по следующему соотношению:
G = G-1+ ДG.(1+ 1.), 1.=1.-1+АА., (1)
где О - оценка относительного веса топлива, ДО - изменение относительного веса топлива за элементарный такт БЦВМ при номинальном расходе (более точное, фактическое, значение ДО может быть вычислено на основе инерциальной информации о приращениях кажущейся скорости), 1. - корректирующая поправка, учитывающая результаты измерений датчиков уровней
системы СУРТ, Д1 - изменение величины 1 на /-ой
' j /
измерительной точке.
Оценка (1) формируется в каждом элементарном такте.
В момент срабатывания измерительной точки в баке окислителя или горючего фиксируется значение О= О модельной оценки, получаемой из (1), и
формируется рассогласование
А О5(а) = О^ - О. (2)
1
X" = Km ном
Рассогласование А Оможет служить в качестве
информации об отличии модельной оценки от фактического значения запаса компонента в баке и необходимости коррекции оценки. Разность рассогласований
А О'. и А О^. свидетельствует о несинхронности
выработки компонентов топлива. Для синхронизации выработки компонентов топлива из баков необходимо изменить коэффициент соотношения расходов компонентов топлива через двигательную установку (параметр Кт) с помощью малого контура управления, задав ему новое требуемое значение параметра Кт.
При построении алгоритмов формирования А1.,
К°оаа необходимо исходить из следующих положений.
Формирование кЩО^ должно производиться путем комплексного использования уровнемерной и расхо-домерной измерительной информации с выявлением присущей расходомерам знакопостоянной ошибки измерения (ЪКош) и ее последующей компенсацией.
Так как измерения датчиков уровней могут иметь значительные погрешности случайного характера, то для обеспечения помехозащищенности системы и повышения точности ее работы в алгоритмах формирования к00аа и А1. должны быть предусмотрены ш . .
возможности фильтрации случайных погрешностей измерения.
С использованием линеаризованных уравнений объекта могут быть получены алгоритмы формирования оценок регулируемой координаты (рассогласования относительных запасов компонентов на/-ой измерительной точке - АО. = АО0 - АОг ) и знакопостоянной / / /
ошибки расходомеров (оКош).
Указанные оценки могут быть сформированы на основе линейного фильтра Калмана, определяемого следующими рекуррентными выражениями:
,
^ошУ- ^ошЯ + ^-0^- АО^)-/5.(ДОТ - ДО^Х
где а/, Ь/ - весовые коэффициенты фильтра.
Относительные отклонения требуемого коэффициента соотношения расходов компонентов вычисляются в соответствии со следующим выражением:
треб ] От . ош ш] ном 4 треб]'4 ' н ]
где Ош - номинальный относительный рабочий запас топлива, находящейся под /-ой измерительной точкой
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
В.А. Вакушин, В.К. Завадский, В.П. Иванов, Е.Б. Каблова, Л.Г. Кленовая, И.С. Партола Особенности работы системы контроля и управления расходованием топлива разгонного блока с водородной двигательной установкой
Для формирования поправки А1у , корректирующей модельную оценку текущего запаса, воспользуемся известным правилом, апробированным в практике разработки безрасходомерных систем СУРТ:
Д А0 = А • • (В ■ • AG° AG° т)
J J J J H
Д Аг = A • • (B • AGr AGr ,),
J J J J J-l
(5)
ДА- - ДА°. J J К
К
ном
ном
+ ДАГ + 1 J
Кном + '
где Aj, Bj - параметры алгоритма, выбираемые по результатам статистического моделирования.
Полученные выше соотношения (1-5) образуют базовый алгоритм управления внешнего контура функционирования системы СУРТ.
Результаты моделирования
Рис. 3. Изменение величин DGj, dKm и 5Кдр0сс по времени работы РСК
Рис. 4.
Изменение величин DGj, dKm и dKdpocc по времени работы
Рис. 2, 3 иллюстрируют работу систем РСК и комбинированной системы СУРТ. На рис. 2 показано, как протекает процесс управления в системе РСК - начальное рассогласование запасов увеличивается из-за погрешности работы РСК. Величина ЪКт (относительное отклонение Кт от номинала) определяется только ошибками расходомеров и неточностью введения температурной коррекции и мало отличается от номинального значения. В комбинированный системе (рис. 3) после прохождения нескольких верхних то-
чек начинается формирование управления приводом дросселя с использованием показаний уровнемеров. При этом увеличиваются отклонения Кт от номинала, и требуется дополнительный диапазон на дросселе для компенсации погрешности РСК. Низкопериодическая колебательность параметров ЪКт и ЪКдросс (относительное отклонение параметра Кт, вызываемое управлением) объясняется погрешностями оценивания регулируемой координаты из-за случайных ошибок измерения датчиков уровней.
Предварительные результаты статистического моделирования показывают, что при переходе от автономной системы РСК к комбинированной системе СУРТ показатели точности по конечному рассогласованию (разности) относительных остатков компонентов могут быть улучшены с величины 1,5 % до 0,6-0,8 % от номинальных рабочих запасов топлива.
Заключение
Опыт эксплуатации водородного двигателя на изделии «КРБ» выявил ряд особенностей в задачах контроля и управления расходованием компонентов топлива. Основные трудности решения этих задач связаны с существенной нелинейностью и сложностью динамической модели водородного двигателя, взаимовлиянием процессов изменения режимов работы двигателя по тяге и параметру Кт, сложностью формирования массовых расходов компонентов по показаниям датчиков расхода и измерения запаса водорода в баке. Наилучшие характеристики при решении этих задач достигаются в рамках комбинированной системы управления расходованием топлива, сочетающей управление по показаниям расходомеров, установленных в топливных магистралях двигательной установки, с коррекцией управления по измерениям датчиков уровней, установленных в баках. В результате применения комбинированной системы существенно снижается уровень неиспользуемых остатков компонентов топлива из-за погрешностей уровнемерного и расходомерного каналов измерения. В итоге увеличиваются рабочие запасы топлива, которые используются для создания тяги двигательной установки. Тем самым повышаются энергетические характеристики изделия.
Список литературы
1. Андриенко А.Я., Иванов В.П., Портнов-Соколов Ю.П. Системы управления расходованием топлива жидкостных ракет. История создания и пути развития. Космонавтика и ракетостроение. Изд-во ЦНИИМАШ. 1999. №15. С.133-137.
2. Петров Б.Н., Портнов-Соколов Ю.П., Андриенко А.Я., Иванов В.П. Бортовые терминальные системы управления. М.: Машиностроение, 1983.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
